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Losito G., Pazzi V., Trova A., Mazzarelli R.; 2009: Elettrodi lineari per tecnica depurativa da metalli pesanti tramite elettrocinesi (DEK): problema in via di risoluzione. Atti del 28° Convegno Nazionale Gruppo Nazionale di Geofisica della Terra Solida – GNGTS, Trieste (Italy), 16-19 Novembre 2009, 581-585.
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MISURE DEI PARAMETRI ELETTRICI DELLE ROCCE IN LABORATORIO. SVILUPPO DI SOFTWARE PER LA GESTIONE DI STRUMENTAZIONE
G.M.S. Losito, M. Masi, V. Pazzi, A. Trova
1 Dipartimento di Ingegneria Civile e Ambientale (DICEA), Università di Firenze
La misura in laboratorio delle proprietà elettriche delle rocce è necessaria ogni qual volta si deb-bano valutare gli effetti della mineralogia, del contenuto d’acqua e della composizione elettrolitica sulla risposta spettrale di un campione (Vanhala e Soininen,1995). I dati di laboratorio inoltre pos-sono fornire un utile supporto per l’interpretazione dei dati di campagna. La tecnica qui adottata per le misure è quella della Spectral Induced Polarization (SIP) monocromatica, basata sull’energizza-zione del campione mediante l’applicasull’energizza-zione di una tensione in regime sinusoidale con la tipica con-figurazione del quadripolo ABMN. La risposta elettrica è dipendente sia dalle caratteristiche del mezzo che dalla frequenza e tensione di energizzazione. Test e misure di laboratorio indicano che, in presenza di polarizzazione, la risposta del campione è non lineare (Olhoeft, 1979; Losito e Ange-lini, 2002).
La strumentazione attualmente in uso presso il Laboratorio di Geofisica Applicata (Università di Firenze) per questo tipo di prove è costituita da un generatore di segnale per l’energizzazione (HP 33120A, frequenza operativa 10-4- 106Hz, ampiezza fino a 5V), un oscilloscopio per
l’acquisizio-424
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ne e conversione A/D (Tektronix DPO2014), un preamplificatore dif-ferenziale ad alta impe-denza (Tektronix ADA400A). Un PC, interfacciato alla stru-mentazione, coordina le operazioni di acquisizio-ne e trasferimento dei dati. Il campione incoe-rente è contenuto all’in-terno di un cilindro di materiale isolante e non polarizzabile (PVC). La configurazione
strumen-tale così definita (Fig. 1) consente di soddisfare i principali requisiti che questo tipo di misure richiedono: l’ampiezza di banda, l’accuratezza delle misure, la flessibilità del sistema.
Per quanto riguarda l’ampiezza di banda, il sistema consente di effettuare misure nell’interval-lo 10-4Hz - 106Hz. Tuttavia, come mostra un test effettuato su resistenze di riferimento (Fig. 2),
l’accuratezza delle misure è garantita in un intervallo più ristretto (10-4Hz - 103Hz). Le resistenze
utilizzate nel test, di valore 150 Ω, 1.5 kΩ e 10 kΩ, vogliono simulare la risposta di un campione puramente resistivo che all’interno del contenitore (di geometria fissata) assumerebbe rispettiva-mente la resistività di 350 Ωm, 50 Ωm e 5 Ωm (valori tipici di resistività riscontrabili in laborato-rio). La deviazione dello sfasamento da zero, causata principalmente dall’effetto di accoppiamento capacitivo interno alla strumentazione, risulta essere al massimo di 17 mrad a 1000 Hz, valore che comunque è accettabile se lo si confronta con gli sfasamenti misurati sui campioni reali.
In realtà l’accuratezza delle misure non è legata solamente alla componente elettronica della strumentazione ma dipende in buona misura anche dalla geometria e dal materiale di cui sono costituiti gli elettrodi. Con il sistema di misura a quattro elettrodi si riesce ad eliminare un problema che è tipico del sistema a due elettrodi cioè l’impedenza di contatto tra elettrodo e soluzione. La natura “non ideale” del metallo che costituisce gli elettrodi, però, può introdurre delle capacità equivalenti in parallelo alle alte frequenze. Anche se questo si traduce in un incremento dell’errore di determinazione della fase a frequenze superiori ai 10 Hz, non costituisce un problema dal momento che gran parte dei fenomeni di interesse si attivano a frequenze sensibilmente inferiori (Olhoeft, 1985).
La flessibilità di utilizzo invece è garantita dal software di controllo. Il software, denominato RHOlab, sviluppato in ambiente MATLAB, consiste in una procedura che consente di gestire gli strumenti e di automatizzare le misure. Il software oltre a disporre di apposite routine dedicate all’acquisizione, al trasferimento dei dati e la loro memorizzazione su PC, dispone anche di funzio-ni che permettono in tempo reale l’elaborazione dei dati ed la presentazione grafica dei risultati, cal-colando e riportando in forma grafica i parametri elettrici caratteristici: resistività (ρ [Ωm]), permet-tività (ε [Fm-1]), densità di corrente (j [A m-2]), sfasamento tra il segnale applicato e l’armonica
fon-damentale di quello misurato (ϕ [°]), la tangente dell’angolo complementare allo sfasamento (tg δ), distorsione armonica totale (THD(%)).
Per validare questo nuovo software sono state condotte alcune “misure test” utilizzando campio-ni sabbiosi: nelle Figg. 3 e 4 sono presentati gli andamenti dei parametri ρ(ω), ε(ω), ϕ(ω), tg δ(ω), THD(%)(ω) di campioni inquinati rispettivamente con percolato di discarica (Fig. 3) e Cr(VI) (Fig. 4). Le misure presentate sono state particolarmente risolutive per la comprensione dei processi elet-trocinetici a media scala condotti di recente presso il Laboratorio di Geofisica Applicata
dell’Uni-425
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Fig. 2 – Test del sistema su resistenze di riferimento. Sfasamento tra il segnale applicato e misurato.
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Fig. 3 – Confronto tra gli andamenti dei parametri ρ(ω), ε (ω), THD(%)(ω) e ϕ(ω) di un campione (Ø = 47 mm;L
= 180 mm) di sabbia pulita ed uno inquinato con percolato di discarica.
Fig. 4 – Confronto tra gli andamenti dei parametri ρ (ω), ε (ω), THD(%)(ω) eϕ (ω) di un campione (Ø = 35 mm;L
= 105 mm) di sabbia pulita ed uno costituito da 2/3 del volume con sabbia pulita e 1/3 can sabbia inquinata con Cr(VI in concentrazione di 2.5 mgCr(VI)/kgdry soil.
versità di Firenze, ed in particolare per l’effetto della “diversa concentrazione a blocchi” dell’inqui-nante nel materiale sabbioso (Loeb e Bertin, 1976).
Bibliografia
Loeb J., Bertin J.; 1976: Experimental and Theoretical aspects of induced polarization, Vol. 2 - Macroscopic and microscopic theories. Geopublication Associates, Schweizerbart, 86pp.
Losito G., Angelini R.; 2002: Physical parameters activating electrical signal distortions in polluted soils. Annals of Geophysics,45(2), 207-217.
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INFLUENZA DELLA POLARIZZAZIONE NELLE MISURE GPR SU TARGET LINEARI
M. Lualdi1, M. Porcu2
1 Politecnico di Milano 2 C.E.T.I.S. srl, Olbia
Il principio di funzionamento delle misure Georadar è basato sullo scatter generato dal passag-gio di un’onda elettromagnetica attraverso materiali con diverse caratteristiche di impedenza elet-tromagnetica. Per indagare l’interazione delle onde elettromagnetiche con target lineari si è consi-derata la formulazione bidimensionale della Radar Cross Section (RCS) poichè non ci sono varia-zioni del campo incidente lungo il cilindro investigato. Ponendoci in condivaria-zioni di campo lontano e di backscattering è stato studiato l’andamento della lunghezza di scatter (SW) per target lineari metallici e dielettrici con onde polarizzate sia TE che TM. Si definisce una misura GPR con rizzazione TM quando gli assi dei dipoli dell’antenna sono paralleli con l’asse del target e con pola-rizzazione TE quando gli assi dei dipoli sono perpendicolari a quello del target.
Le formule della SW risultano essere:
K0 è il numero d’onda, n = 1 se n = 0, n = 2 se n > 0, N è un termine approssimato tratto dalla formulazione di Weil. I due coefficienti An e Bn variano a seconda del materiale del target lineare: il primo è relativo al metallo e l’altro ai dielettrici. Ai fini del calcolo della SW per i target lineari si tiene conto esclusivamente del materiale che fornisce il contributo energetico maggiore.
Nelle Figg. 1 e 2 sono disegnate le curve della SW in funzione del raggio della sezione del tar-get lineare investigato normalizzati rispetto la lunghezza d’onda. I grafici sono riferiti allo scatter prodotto da target lineare: metallico (Fig. 1) e dielettrico pieno d’aria (Fig. 2).
Dalla Fig.1 risulta preferibile usa-re la polarizzazione TM per indagausa-re cilindri metallici con un rapporto tra raggio e lunghezza d’onda piccolo. Quando il rapporto cresce non c’è molta differenza nell’uso di una pola-rizzazione o dell’altra. Nel caso di materiale dielettrico è necessario
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Fig. 1 - Grafico della SW per target lineari metallici.
